『通訳・翻訳ジャーナル』（イカロス出版発行）1998年8月号

文科系のための科学講座 遺伝子工学編 【８】 ＰＣＲ

ＰＣＲとは、ひとことで言えばＤＮＡを「わんさか増やす」方法である。「８０年代の最も革命的な新技術」と呼ばれ、１９８９年には Science 誌の The Molecule of the Year にも選ばれ、その特許権に３億ドルもの値がついたＰＣＲ法は、Kary Mullis らによって１９８０年に発表され、１９９３年のノーベル化学賞はこの発明の上に輝いた。現在、ＤＮＡを扱った書籍や論文で、ＰＣＲの文字を見かけないほうが珍しい。 　ＤＮＡを増やすという操作は、遺伝子工学のほとんどあらゆる分野で必要とされる。遺伝子に関連した病気の診断、遺伝子のクローニング、前回述べたＲＦＬＰの解析、ＤＮＡ塩基配列の決定など、遺伝子を研究するためにも、医療や生産に応用するためにも、まずどこかから手に入れた（あるいは合成した）微量の遺伝子を、純粋なまま十分な量にまで増やさなくては、次の仕事に取りかかれない。 　ＰＣＲの原理は、単純である。ＤＮＡ分子は、互いに相補的な２本の鎖がより合わさっている。これを１本ずつにほどき、それぞれを鋳型（テンプレート）にして相手方の鎖を合成する。できあがったらまた１本ずつにほどき、また合成する。これを何度も繰り返すことによって、元とまったく同じＤＮＡを際限なく増やすことができる。つまり、ＤＮＡはもともと生体内で自己複製するようにできている分子なので、その仕組みを試験管内での反応に借用してしまうわけだ。 　２本鎖のＤＮＡをほどいて１本鎖にすることを「変性」という。変性させたＤＮＡに、新しいＤＮＡの材料となる物質（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ）を加え、さらにプライマーというものを加えてから、生物（細菌）から取ったＤＮＡポリメラーゼという酵素を働かせる。プライマーというのは、この酵素が働くための足がかりとなる、短いＤＮＡ断片である。なぜこれが必要かというと、ＤＮＡポリメラーゼは、まったくの１本鎖から２本鎖を作る酵素ではなく、１本鎖をテンプレートにして、その上に２本めの鎖を伸ばす酵素なのである。そこで、元になる１本鎖は、末端のごく一部だけでも２本鎖になっていなくてはならない。このプライマーは、増やしたいＤＮＡの配列の一部を解析することによって、人工的に合成したものを用いることが多い。１本鎖ＤＮＡに相補的配列を持つ１本鎖ＤＮＡを結合させて２本鎖にすることを「アニーリング」という。 　以上のようにしてＤＮＡを増やす手順をまとめると、まずＤＮＡを変性させる。次にプライマーのアニーリングを行う。そこへ酵素を働かせてＤＮＡの伸長を行い、できたＤＮＡをまた変性させて次のサイクルが始まる。 　原理は簡単だったが、この方法には難点があった。ＤＮＡを変性させるためには、９４℃の熱を加えなくてはならない。いっぽうＤＮＡポリメラーゼは酵素（タンパク質）なので、ふつうなら高温に会うと失活する（つまり煮えてしまう）。そこで１サイクルごとに酵素を足してやらなくてはならないが、そんなことをしていたのでは、操作の手間も費用も大変である。 　イエローストーン国立公園に限らないが、温泉の中には、高温に耐える細菌が生育している。ＰＣＲを実用化に導いた鍵は、この熱湯に住む耐熱菌から得られた、耐熱性ＤＮＡポリメラーゼ（Taq DNA polymerase）であった。この酵素は、ＤＮＡが変性するような高温でも失活しないため、何度サイクルを繰り返しても減ることがない。しかも酵素が活性を発揮する温度も、ふつうの酵素（３７℃前後）よりはるかに高い。 　Taq ポリメラーゼを使うことによって、ＰＣＲの操作は非常に効率的になった。いったん必要な材料を入れてしまえば、あとは温度を９４℃にする（ＤＮＡを熱変性させる）→５５℃にする（プライマーをアニーリングさせる）→７２℃にする（ＤＮＡを合成する）という、３段階の温度変化を周期的に行わせるだけで、ＤＮＡの量は１サイクルごとに２倍に増える。現在ではもちろんサーマルサイクラーという装置があり、この操作全体は自動的に行われている。最も一般的には、ピコグラム単位の量のＤＮＡから出発して３０回の増幅を行い、マイクログラム単位の量を手に入れる。何時間もかからない操作で１０億倍に増えているわけだ。 　言い忘れるところだったが、ＰＣＲは、polymerase chain reaction（ポリメラーゼ連鎖反応）の略語である。

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